先進的納米纖維源于對先進熔融紡絲技術(shù)的追求

H. Yamanaka， M. Masuda， Y. Aranishi

東麗公司(日本)

細長的纖維可被加工成各種各樣的產(chǎn)品，對纖維特性的需求取決于產(chǎn)品的預(yù)期用途。因此，要開發(fā)各種纖維加工技術(shù)以滿足這些纖維的特性和市場需求。

業(yè)界在學(xué)術(shù)和工業(yè)上面臨的最大挑戰(zhàn)之一是對更精細纖維的追求。纖維材料的性能特性(如柔韌性、高比表面積等)隨著纖維直徑的減小而顯著提高。

納米纖維的學(xué)術(shù)定義是“直徑小于100 nm、長徑比大于100的纖維”。然而，由于能夠生產(chǎn)或制備直徑小于100 nm的纖維的工業(yè)技術(shù)和應(yīng)用相對較少，納米纖維的工業(yè)定義“直徑小于1 000 nm且長徑比大于50”在行業(yè)內(nèi)被廣泛使用和理解。

因高比表面積和單個納米纖維之間存在大量微小空間，納米纖維具有傳統(tǒng)纖維所不具備的納米尺寸效應(yīng)。納米纖維特性改進的追求有望引領(lǐng)高性能過濾器和新型服裝紡織品及各種高功能纖維產(chǎn)品的進一步開發(fā)。預(yù)計這種納米纖維產(chǎn)品量在全球市場上將以每年30%的速度持續(xù)增長。

1 納米纖維的制備方法

超細纖維和微細纖維材料的早期制備方法有熔噴和閃蒸紡絲法等。這些方法的優(yōu)勢在于，由超細纖維組成的非織造布的生產(chǎn)是一個相對簡單的一步法工藝。這些方法是目前生產(chǎn)纖維片材產(chǎn)品的主要方法。

復(fù)合紡絲法已被開發(fā)應(yīng)用于生產(chǎn)超細極長纖維。日本東麗塑料株式會社于20世紀70年代開發(fā)出海島復(fù)合纖維紡絲法，并推出絨面狀的材料“Ultrasuede”，這種材料由海島型超細纖維制成。

隨著復(fù)合紡絲技術(shù)的發(fā)展，纖維直徑可以從微米級降至亞微米級。此外，通過紡絲過程(如靜電紡絲和聚合物共混紡絲)中的技術(shù)革新可制備改進的納米纖維。納米纖維生產(chǎn)技術(shù)仍處于積極開發(fā)中。近年來，在納米纖維紡絲中使用靜電紡絲技術(shù)受到廣泛關(guān)注。靜電紡絲可以制備直徑從幾十微米至數(shù)十納米的纖維。采用簡單的裝置即可進行實驗，通過一步法可以制得由納米纖維組成的片狀材料。

2 熔融紡絲法制備納米纖維

熔融紡絲工藝制備納米纖維的技術(shù)要點如圖1所示。通過熔融紡絲制得海島復(fù)合纖維，除去海組分后可以得到來自島組分的納米纖維。

復(fù)合纖維(納米纖維前驅(qū)體)可以通過熔融紡絲工藝(如聚合物共混紡絲或復(fù)合紡絲)加工纖維產(chǎn)品。在生產(chǎn)各種各樣的納米纖維產(chǎn)品(如紡織品、針織品、非織造布和纖維分散液體)時，該工藝比電紡絲更早。

從工業(yè)角度看，熔融紡絲非常安全，并且由于它是一個無需溶劑的過程，因此將引發(fā)相對較少的環(huán)境問題。尤其吸引人的是它可以利用現(xiàn)有設(shè)備，從而可減少開發(fā)時間和成本。

東麗公司是合成纖維行業(yè)中第一家通過聚合物共混紡絲開發(fā)納米纖維生產(chǎn)技術(shù)的制造商。

圖1 由海島復(fù)合纖維制備納米纖維

3 聚合物共混紡絲制備短纖型納米纖維

東麗公司先進的聚合物共混技術(shù)使納米合金可以在納米尺度上產(chǎn)生微分散的多組分聚合物。將海組分和島組分聚合物混合并通過捏合機造粒而制成納米合金聚合物粒料。然后，這些粒料被送入熔融紡絲工藝中，獲得納米合金纖維。通過堿處理從這些纖維中去除海組分，從而由島組分得到納米纖維。

然而，當紡絲液從噴絲孔中擠出時，納米合金聚合物會顯著膨脹，聚合物細流在紡絲線上變得非常不穩(wěn)定。東麗公司通過優(yōu)化對噴絲頭中聚合物流動的控制并選擇合適的淬火位置，克服了這一相當長時期存在的障礙，目前該公司正高效生產(chǎn)聚合物共混紡絲納米纖維。

納米合金纖維斷面的透射電鏡照片如圖2所示。可以看到，大量的島組分(黑點)存在于海組分(白色區(qū)域)中。這些島的平均直徑約為60 nm，通過去除海組分可以獲得極細的納米纖維。通過這種方法得到的納米纖維為長度無規(guī)的短纖型纖維。這些短纖型纖維具有層級結(jié)構(gòu)：自組裝形成納米纖維束，這些纖維束又形成納米纖維束復(fù)絲。

圖2 納米合金纖維斷面的透射電鏡圖

所得短纖型納米纖維顯示出海綿的特性。遇水時，這些納米纖維將水吸入纖維間隙并溶脹。在無水情況下(干燥條件)，它們會失水并收縮。此外，纖維的層級結(jié)構(gòu)使其具有非常好的吸濕性、優(yōu)于棉花的保水性，以及氣體吸附和藥物緩釋等性能。

4 創(chuàng)新的納米纖維技術(shù)

海島復(fù)合紡絲噴絲板的圖片如圖3所示。將海組分喂入噴絲頭后，注入島組分。島組分流入海組分，形成海島型復(fù)合細流。錐形擠出孔在橫截面方向上壓縮這些聚合物細流，產(chǎn)生海島復(fù)合纖維。在該工藝中，需考慮模壓溫度和海組分的溶解度。此外，應(yīng)適當調(diào)節(jié)兩者黏度比以形成均勻的復(fù)合流體。聚合物放電速率隨纖維直徑的減小呈指數(shù)遞減。

圖3 海島復(fù)合紡絲噴絲板圖片

盡管增加海島復(fù)合纖維橫截面上的島嶼數(shù)以制備納米纖維非常有必要，但這會造成噴絲板內(nèi)微細聚合物流體的分開非常困難。當海島復(fù)合纖維橫截面上的任意部分發(fā)生無序的聚合物流動時，易產(chǎn)生島組分融合。這是采用復(fù)合紡絲工藝生產(chǎn)納米纖維的技術(shù)難題。

東麗下一代噴絲板技術(shù)的進展建立在對海島復(fù)合纖維的廣泛開發(fā)和精確控制微細聚合物流體的基礎(chǔ)上，并已成功生產(chǎn)出直徑為300 nm的均勻圓形截面長絲狀纖維(近期生產(chǎn)的纖維直徑降至150 nm)，這在之前是不可能的。

常規(guī)的納米纖維橫截面為圓形。東麗可以生產(chǎn)出各種橫截面形狀(如三角形、六邊形等)的纖維，如圖4所示。

圖4 熔融紡絲技術(shù)制備的納米纖維圖片

多邊形納米纖維的橫截面邊緣能減少接觸，因此比圓形納米纖維具有更低的表面摩擦因數(shù)。三角形納米纖維的刮涂試驗結(jié)果表明，橫截面邊緣效應(yīng)(圖5)使得其擦拭效率更高。

圖5 圓形和三角形納米纖維的特性